(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属片間の接続部において複数の前記金属片を共に溶接する方法であって、
前記接続部の第１の側に対してレーザーからレーザービームを導いて、前記接続部の前記第１の側から第２の側に概ね向かって延在する、レーザーによって作り出された溶融金属プールに囲まれたキーホールを生成することと、
それと同時に、第１のアーク溶接機から第１のアークを前記接続部の前記第１の側に対して導いて、前記レーザーによって作り出された溶融金属プールと接合する第１のアークによって作り出された溶融金属プールを生成し、接合した第１の側の溶融金属プールを形成することと、
それと同時に、第２のアーク溶接機から第２のアークを前記接続部の前記第２の側に対して導いて、前記第２の側に隣接する第２のアークによって作り出された溶融金属プールを生成することと、を含み、
前記レーザービームを導いて、前記キーホールを前記第２のアークによって作り出された溶融金属プールに延在し、
前記第２のアークによって作り出された溶融金属プールを前記第１のアークによって作り出された溶融金属プールと前記キーホールにより一緒にして共通の溶融金属プールを作り出し、該共通の溶融金属プールが凝固して、前記第１の側から前記第２の側まで、前記接続部を通り延在する溶接部を形成し、
前記共通の溶融金属プールは、前記第１のアークと前記第２のアークの双方に安定化をもたらす、方法。
【請求項２】
前記安定化は、機械的安定化を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザービームおよび第１のアークを、前記レーザービームおよび第１のアークが互いに対して非ゼロ入射角を形成するように導くことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属片のうちの第１の１片上の第１の接続面と、前記金属片のうちの第２の１片上の第２の接続面とは、それらの間にギャップが存在するように、互いに対して角度を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記角度は前記金属片のうちの１つにおける面取り面により画定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザービームは、前記ギャップを通って導かれる、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記共通の溶融金属プールが前記ギャップを少なくとも部分的に埋める、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記レーザービームは、前記第２のアークよりも遅れる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザービームは、前記第２のアークよりも早い、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記レーザービーム、前記第１のアーク、および前記第２のアークの少なくともいずれかは、不連続である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１のアーク溶接機はガスタングステンアーク溶接トーチを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第１のアーク溶接機はガスメタルアーク溶接トーチを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
第１のアーク溶接機はフラックスコアードアーク溶接トーチを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
第１のアーク溶接機はプラズマアーク溶接トーチを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
第１のアーク溶接機はサブマージアーク溶接トーチを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
金属片間の接続部において複数の前記金属片を共に溶接するように構成された溶接装置であって、
前記接続部の第１の側に対してレーザービームを導いて、前記接続部の第１の側から第２の側に概ね向かって延在する、レーザーによって作り出された溶融金属プールに囲まれたキーホールを生成するように構成されたレーザーと、
それと同時に、第１のアークを前記接続部の前記第１の側に対して導いて、前記レーザーによって作り出された溶融金属プールと接合する第１のアークによって作り出された溶融金属プールを生成し、接合した第１の側の溶融金属プールを形成するように構成された、第１のアーク溶接機と、
それと同時に、前記接続部の前記第２の側に対して第２のアークを導いて、前記第２の側に隣接する第２のアークによって作り出された溶融金属プールを生成するように構成された第２のアーク溶接機と、を備え、
前記レーザービームを導いて、前記キーホールを第２のアークによって作り出された溶融金属プールに延在し、
それにより、第２のアークによって作り出された溶融金属プールを第１のアークによって作り出された溶融金属プールと前記キーホールにより一緒にして、共通の溶融金属プールを作り出し、該共通の溶融金属プールが凝固して、前記第１の側から前記第２の側まで、前記接続部を通り延在する溶接部を形成し、
前記共通の溶融金属プールは、前記第１のアークと前記第２のアークの双方に安定化をもたらす、装置。
【請求項１７】
前記レーザーと前記第２のアーク溶接機は、前記レーザーが前記第２のアークよりも遅れるように配置される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記レーザーと前記第２のアーク溶接機は、前記レーザーが前記第２のアークよりも早いように配置される、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、金属片間の接続部において複数の金属片を共に溶接するための方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近商品化されたハイブリッドレーザーアーク溶接は、２個の金属片を共に溶接する方法であり、一般的にはレーザービーム溶接とガスメタルアーク溶接とを組み合わせるものである。例えば、金属片間の接続部の同一の側における１つの溶接域にレーザービームと電気アークとの両方を同時に導いて、凝固して溶接部を形成する共通の溶融金属プールを生成する。図１ａに示すように、先行技術の装置では、第１の金属片１６ａを第２の金属片１６ｂに溶接して接続部を形成するために、接続部１４の第１の側１４ａにおいて、（レーザー共振器および関連する光学機器を備えてもよい）レーザー１０からのレーザービーム出力１０’と、ガスメタルアーク溶接機１２からの電気アーク出力１２’とを導いて、これを達成する場合がある。ハイブリッドレーザーアーク溶接は、従来のアーク溶接技術と比較して、溶接の速度と侵入深さとの両方を増大する場合がある。しかしながら、図１ｂに示すように、結果生じた溶接部１８は、接続部１４の第１の側１４ａ、すなわち、レーザービーム出力１０’および電気アーク出力１２’がその上に作用する側が、接続部の反対側の第２の側１４ｂとは対照的に、顕著に強化される場合がある。特に、溶接部１８は、第１の側１４ａから第２の側１４ｂまで接続部１４を完全に通るようには延在しない場合がある。さらに、溶接部１８が接続部１４の第２の側１４ｂまで及ぶ場合には、溶接部の第２の部分１８ｂが、接続部の第１の側１４ａにおける溶接部の第１の部分１８ａよりも著しく薄くなることがある。
【０００３】
接続部の両側に、より左右対称の溶接部を形成する１つの試みとしては、接続部１４の第１の側１４ａに前述のハイブリッドレーザー溶接機を動作させて、その後、ハイブリッドレーザー溶接機を接続部の第２の側１４ｂに移動させるか、金属片１６ａ、１６ｂを反転させて、接続部の第２の側に対して、レーザービーム出力１０’および電気アーク出力１２’を導くことが行われてきた。図１ｃに示すように、まず、接続部１４の第１の側１４ａにハイブリッドレーザー溶接機を動作させて、その後、接続部の第２の側１４ｂに動作させることにより、接続部の両側に強化された溶接部１８’を生成する場合がある。接続部１４の第１の側１４ａから第２の側１４ｂまで、より十分かつ完全に延在するため、強度と装飾的利点との両方提供する場合があるため、この溶接部１８’はより望ましい場合がある。しかしながら、望ましく無いことに、ハイブリッドレーザー溶接機の移動または金属片の回転、および溶接機器による２つの連続パスを行うために追加的な時間が必要となる。
【０００４】
開発されてきた代替方法は、接続部の各側にハイブリッドレーザー溶接機を提供する。この実施形態は、金属片またはハイブリッドレーザー機器を、一方の側から他方の側に移動を要求することに伴う不都合を回避する。さらに、この場合では、溶接により誘発されるひずみまたは変形を、前述したツーパス連続溶接プロセスよりも小さくすることができる。しかしながら、この手法は第２のレーザーを使用する。レーザーハイブリッド溶接動作の達成に用いるレーザーは非常に高価である場合があるため、場合によっては、接続部に２つの別個のハイブリッドレーザー溶接機を動作することは望ましくはない場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、当業界では、改良された溶接装置および対応する溶接方法に対する必要が存在る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、一態様では、金属片間におけるアングル接続部を含んでもよい接続部において複数の金属片を共に溶接する方法を説明する。この方法は、接続部の第１の側に対して高エネルギー密度熱源から第１の出力を導いて、接続部の第１の側から第２の側に概ね向かって延在する、第１の溶融金属プールに囲まれたキーホールを生成し、それと同時に、接続部の第２の側に対してアーク溶接熱源から第２の出力を導いて、接続部の第２の側に隣接する第２の溶融金属プールを生成することを含む。第１の出力を導いて、キーホールを第２の溶融金属プールに延在することにより、第２の溶融金属プールと第１の溶融金属プールとをキーホールにより接合して、凝固して第１の側から第２の側まで接続部を通って延在する溶接部を形成する共通の溶融金属プールを作り出す。
【０００７】
いくつかの実施形態では、高エネルギー密度熱源は、レーザー、電子ビーム銃、またはプラズマアーク溶接トーチを備えてもよい。いくつかの実施形態では、アーク溶接熱源は、ガスタングステンアーク溶接トーチ、ガスメタルアーク溶接トーチ、フラックスコアードアーク溶接トーチ、サブマージアーク溶接トーチ、またはプラズマアーク溶接トーチを備えてもよい。いくつかの実施形態では、高エネルギー密度熱源からの第１の出力およびアーク溶接熱源からの第２の出力のうちの少なくとも１つは、不連続でもよい。この方法は、第１の出力および第２の出力を、それらが互いに非ゼロ入射角を形成するように導くことをさらに含んでもよい。
【０００８】
さらなる実施形態において、方法は、接続部の第１の側に対して、第２のアーク溶接熱源から不連続でもよい第３の出力を導くことをさらに含む。第２のアーク溶接熱源からの第３の出力は、第３の溶融金属プールを作り出す。これは少なくとも第１の溶融金属プールと接合して、接続部の第１の側に共通の溶融金属プールの一部を形成してもよい。さらに、高エネルギー密度熱源からの第１の出力は、第２のアーク溶接熱源からの第３の出力よりも後に遅れてもよく、先であってもよい。
【０００９】
さらに、いくつかの実施形態では、金属片の第１の１片における第１の接続面と、金属片の第２の１片における第２の接続面とは、それらの間にギャップが存在するような角度を相互に対して画定する。この角度は金属片の１つにおける面取り面により画定されてもよい。さらに、接続部を通るより大きな溶け込みを助長できるように、第１の出力はギャップを通して導かれてもよい。また、共通の溶融金属プールは、少なくとも部分的にギャップを埋める場合がある。
【００１０】
本開示は、別の態様では、金属片間の接続部において複数の金属片を共に溶接するように構成された溶接装置を記述する。この装置は高エネルギー密度熱源を備えており、これは、接続部の第１の側に対して第１の出力を導いて、接続部の第１の側から第２の側に概ね向かって延在する、第１の溶融金属プールに囲まれたキーホールを生成するように構成されている。この装置はさらにアーク溶接熱源を備えており、これは同時に、接続部の第２の側に対して第２の出力を導いて、第２の側に隣接する第２の溶融金属プールを生成するように構成されている。第１の出力を導いて、キーホールを第２の溶融金属プールに延在することにより、第２の溶融金属プールと第１の溶融金属プールとをキーホールにより一緒にして、凝固して第１の側から第２の側まで接続部を通り延在する溶接部を形成する共通の溶融金属プールを作り出す。
【００１１】
本開示は、さらなる態様では、第１の金属片と第２の金属片との間のアングル接続部を溶接する方法を記述する。第１の金属片は略水平の上面を有し、第２の金属片は略水平の下面を有する。第２の金属片の略水平の下面の少なくとも一部が、第１の金属片の上面に当接してアングル接続部を形成する。この方法は、アングル接続部の第１の側に対して高エネルギー密度熱源から第１の出力を導いて、アングル接続部の第１の側から第２の側に概ね向かって延在する、第１の溶融金属プールに囲まれたキーホールを生成し、同時に、アングル接続部の第２の側に対してアーク溶接熱源から第２の出力を導いて、第２の側に隣接する第２の溶融金属プールを生成することを含む。第１の出力を導いて、キーホールを第２の溶融金属プールに延在することにより、第２の溶融金属プールと第１の溶融金属プールとをキーホールにより一緒にして、凝固して第１の側から第２の側までアングル接続部を通り延在する溶接部を形成する共通の溶融金属プールを作り出す。
【００１２】
一般的な用語を用いて実施形態を記述するため、ここで、必ずしも原寸に比例していない添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１ａ】接続部の第１の側の上に動作するレーザーおよびガスメタルアーク溶接機を備えている先行技術のハイブリッド溶接装置を示す図である。
【図１ｂ】接続部の第１の側の上に、図１ａに示す先行技術のハイブリッド溶接装置を動作することによりもたらされる溶接接続部を示す図である。
【図１ｃ】接続部の両側上に、図１ａからの先行技術のハイブリッド溶接装置を動作することによりもたらされる溶接接続部を示す図である。
【図２ａ】第１の金属片および第２の金属片を備えるＴ字型接続部を示す図である。
【図２ｂ】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、および接続部の第２の側にアーク溶接熱源を備える、図２ａに示す接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図２ｃ】図２ａの接続部上にある図２ｂからの溶接装置を動作することからもたらされる溶接接続部を示す図である。
【図３ａ】第１の金属片および第２の金属片を含むアングル接続部を示す図である。
【図３ｂ】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、および接続部の第２の側にアーク溶接熱源を備える、図３ａの接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図４ａ】第１の金属片および右に傾いている第２の金属片を備える傾斜したＴ字型接続部を示す図である。
【図４ｂ】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、および接続部の第２の側にアーク溶接熱源を備える、図４ａの接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図５ａ】第１の金属片および左に傾いている第２の金属片を備える傾斜したＴ字型接続部を示す図である。
【図５ｂ】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、および接続部の第２の側にアーク溶接熱源を備える、図５ａの接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図６ａ】第１の金属片および右に傾いている第２の金属片を備える、傾斜した角接続部を示す図である。
【図６ｂ】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、および接続部の第２の側にアーク溶接熱源を備える、図６ａの接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図７ａ】第１の金属片および左に傾いている第２の金属片を備える傾斜した角接続部を示す図である。
【図７ｂ】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、および接続部の第２の側にアーク溶接熱源を備える、図７ａの接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図８】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、および接続部の第２の側にアーク溶接熱源を備える、突き合わせ接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図９ａ】接続部の第１の側に高エネルギー密度熱源、接続部の第２の側にアーク溶接熱源、さらに、接続部の第１の側に第２のアーク溶接熱源を備える、接続部を溶接するように構成された溶接装置を示す概略図である。
【図９ｂ】接続部に図９ａからの溶接装置を動作することからもたらされる溶接接続部を示す図である。
【図１０ａ】第１の接続面を備える第１の金属片、および第２の接続面および第３の接続面を備える第２の金属片を含む接続部上で動作するように構成された、図９ａの装置を示す図であり、第１の接続面と第２の接続面とは、それらの間にギャップが存在するように、互いに対する角度を画定し、第３の接続面は第１の接続面と略平行である。
【図１０ｂ】第１の接続面を備えている第１の金属片、および第２の接続面を備えている第２の金属片を有する接続部を示す図であり、第１の接続面および第２の接続面は、相互に対する角を画定する。
【図１０ｃ】第１の接続面を備える第１の金属片、ならびに第２の接続面および第３の接続面を備える第２の金属片を含む接続部を示す図であり、第１の接続面および第２の接続面は、それらの間にギャップが存在するように、相互に対する角度を画定し、第１の接続面と第３の接続面とは、それらの間に第２のギャップが存在するように、相互に対する角度を画定する。
【図１１ａ】図２ｂに示す溶接装置の上面図である。第１の出力および第２の出力は、同時に、接続部の概ね同一区域に導かれる。
【図１１ｂ】図２ｂに示す溶接装置の上面図である。第１の出力が第２の出力よりも先に出る。
【図１１ｃ】図２ｂに示す溶接装置の上面図である。第１の出力は第２の出力よりも遅れる。
【図１２】第３の出力が第１の出力よりも早い、図９ａに示す溶接装置の上面図である。
【図１３】接続部において複数の金属片を共に溶接する方法の実施形態のフローチャートである。
【図１４】略水平な構成でアングル接続部を共に溶接する方法の実施形態を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、溶接の装置および方法を、全てでは無いがいくつかの実施形態を示す添付図面を参照して以下により十分に記述する。実際には、本開発は多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に説明する実施形態に限定するように解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用される法的要件を満たすように提供される。全体を通して、同様の番号は同様の要素を指す。
【００１５】
図２ａに、接続部１１４を形成するように位置する第１の金属片１１６ａおよび第２の金属片１１６ｂを示す。図２ｂに、対応する溶接装置１００の実施形態を示す。この装置は、接続部１１４において第１の金属片１１６ａと第２の１１６ｂ金属片とを共に溶接するように構成される。溶接装置１００は高エネルギー密度熱源１１０を含み、これは、接続部の第１の側１１４ａに対して第１の出力１１０’を導くように構成されている。この第１の出力１１０’により、第１の金属片１１６ａおよび／または第２の金属片１１６ｂからの金属を含む第１の溶融金属プール１２０ａに囲まれたキーホール１２２（代替的に、チャネルとも呼ばれる）を生成する。キーホール１２２および第１の溶融金属プール１２０ａの両方は、接続部１１４の第１の側１１４ａから接続部の第２の側１１４ｂに概ね向かって延在する。第１の溶融金属プール１２０ａは、高エネルギー密度熱源１１０からの第１の出力１１０’による、第１の金属片１１６ａおよび第２の金属片１１６ｂの加熱により生じた蒸気および／または液体を含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態では、溶接部をより大きくするために、第１の溶融金属プール１２０ａに溶加材を供給して追加してもよい。装置は、同時に、接続部１１４の第２の側１１４ｂに対するアーク溶接熱源１１２からの第２の出力１１２’を導いて、第２の側に隣接する第２の溶融金属プール１２０ｂを生成してもよい。さらに、高エネルギー密度熱源１１０から第１の出力１１０’を導いて、第２の溶融金属プール１２０ｂにキーホール１２２を延在する。そしてこれを、第２の溶融金属プールの下部と接続できる。それ故、第２の溶融金属プール１２０ｂは、キーホール１２２により第１の溶融金属プール１２０ａと接合して、実質的に接続部１１４にわたって延在する共通の溶融金属プール１２０を作り出してもよい。共通の溶融金属プール１２０が凝固すると、図２ｃに示すように、接続部１１４の第１の側１１４ａから第２の側１１４ｂまで、接続部１１４を完全に通って延在する溶接部１１８を形成する。
【００１６】
これにより、従来のレーザーハイブリッド溶接を用いて経験される場合がある、接続部を完全に通る溶接部の形成についての課題、例えば、レーザービームが電気アークを通過する際のレーザーエネルギー損失を回避される場合がある。特に、キーホールは、第１の溶融金属プールと第２の溶融金属プールとの間の流体の流れを改善し、より安定した共通の溶融金属プールを作り出す。それ故、接続部の一方の側から他方の側に延在するより厚い溶接部が達成される。さらに、先行技術に関して前述したように接続部の両側に高エネルギー密度熱源を提供する必要無く、単一パスにより接続部を通り延在する溶接部が生成される。さらに、キーホールを第２の溶融金属プールに延在させるように第１の出力を導き、接続部の反対側に第２の出力を提供することにより、アーク溶接熱源により生成されたアークの熱機械的安定が生じる場合がある。この安定化は、溶接欠陥をより少なくしてより強く、より正確な溶接部の生成に寄与する。従って、比較的速い溶接速度を用いてもよい。その上、所望の溶接プロファイルだけでなく、レーザービームの整列、接続部位置、およびアーク溶接トーチを含む、溶接パラメーターの最適化が得られる。
【００１７】
高エネルギー密度熱源１１０は、第１の出力１１０’の形態である高エネルギー密度熱を出す種々の異なる熱源を備えてもよい。例えば、高エネルギー密度熱源１１０は、レーザービームの第１の出力１１０’を生成するレーザーを備えてもよい。追加的な実施形態では、高エネルギー密度熱源１１０は、電子ビームの第１の出力１１０’を生成する電子ビーム銃を備えてもよい。さらなる実施形態では、高エネルギー密度熱源１１０は、移行されたプラズマアークの第１の出力１１０’を生成するプラズマアークトーチを備えてもよい。しかしながら、接続部１１４を通るキーホール１２２を生成可能な限り、高エネルギー密度熱源１１０のさらなる実施形態が用いられてもよい。
【００１８】
さらに、アーク溶接熱源１１２は種々の異なる熱源を備えてもよい。例えば、アーク溶接熱源１１２は、アークの第２の出力１１２’を生成するガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）トーチを備えてもよい。特に、ＧＭＡＷトーチは、ミグ（ＭＩＧ）溶接トーチまたはマグ（ＭＡＧ）溶接トーチを含んでもよく、いくつかの実施形態では、金属移行は球状化、短絡、噴霧またはパルス噴霧を伴ってもよい。他の実施形態では、アーク溶接熱源１１２は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）トーチ、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）トーチ、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）トーチ、またはプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）トーチを備えてもよい。これらは移行モードで作動してもよいし、非移行モードで作動してもよい。しかしながら、アーク溶接熱源１１２として種々の他の種類の溶接トーチを用いてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、アーク溶接熱源１１２は、遮へいガスまたはワイヤー供給機を用いてもよいし、用いなくてもよい。
【００１９】
それ故、要約すれば、アーク溶接熱源１１２は、第２の溶融金属プール１２０ｂを生成可能である限り、多くの既知の種類の溶接デバイスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、アーク溶接熱源１１２は、第２の溶融金属プール１２０ｂを生成可能である限り、前述のプラズマアークトーチなどの高エネルギー密度熱源を備えてもよい。それ故、特性を区別する観点では、アーク溶接熱源１１２は少なくとも第２の溶融金属プール１２０ｂを生成し、一方、高エネルギー密度熱源１１０は少なくとも第１の溶融金属プール１２０ａおよびキーホール１２２を生成する。
【００２０】
前述の高エネルギー密度熱源１１０から生成された第１の出力１１０’の異なる種類、および前述のアーク溶接熱源１１２から生成された第２の出力１１２’の異なる種類に加えて、第１の出力および／または第２の出力はさらに、連続して出されてもよいし、不連続でもよい。例えば、第１の出力１１０’は、用いる高エネルギー密度熱源１１０の種類および用途に応じて、連続波、パルス状、非集束、集束、振動、分裂、または伸長されたものでもよい。さらに、いくつかの実施形態では、複数の高エネルギー密度熱源１１０および／または複数のアーク溶接熱源１１２を用いてもよい。
【００２１】
共に溶接される金属片間の接続部は、多くの異なる構造を備えてもよい。いくつかの実施形態では、金属片はアングル接続部を形成できる。本明細書で用いる場合、アングル接続部は、Ｔ字型接続部１１４（図２ａ〜図２ｃ参照）、角接続部２１４（図３ａおよび図３ｂ参照）、傾斜したＴ字型接続部３１４（図４ａ、図４ｂ、図５ａおよび図５ｂ参照）、傾斜した角接続部４１４（図６ａ、図６ｂ、図７ａおよび図７ｂ参照）、および２個以上の金属片が互いに角度を成して接合する他の接続部を指す。接続部が傾斜している場合、これらは種々の方向に傾斜していてもよい。例えば、図４ａ、図４ｂ、図６ａおよび図６ｂに示すように右に傾斜してもよいし、図５ａ、図５ｂ、図７ａおよび図７ｂに示すように左に傾斜してもよい。
【００２２】
アングル接続部１１４，２１４，３１４，４１４が図２ａ、図３ａ、図４ａ、図５ａ、図６ａおよび図７ａに示す位置に配向されると、第１の金属片１１６ａ，２１６ａ，３１６ａ，４１６ａは略水平の上面１１６ａ’，２１６ａ’，３１６ａ’，４１６ａ’を有し、第２の金属片１１６ｂ，２１６ｂ，３１６ｂ，４１６ｂは略水平の下面１１６ｂ’，２１６ｂ’，３１６ｂ’，４１６ｂ’を有する。第２の金属片の略水平の下面の少なくとも一部が、第１の金属片の上面に当接して、アングル接続部を形成する。このような実施形態では、図２ｂ、図３ｂ、図４ｂ、図５ｂ、図６ｂおよび図７ｂに示すように、溶接装置１００，２００，３００，４００は、アーク溶接熱源１１２，２１２，３１２，４１２からの第２の出力１１２’，２１２’，３１２’，４１２’により生成された第２の溶融金属プール１２０ｂ，２２０ｂ，３２０ｂ，４２０ｂのすぐ下に位置する点１２２’，２２２’，３２２’，４２２’にキーホール１２２，２２２，３２２，４２２が延在するように、高エネルギー密度熱源１１０，２１０，３１０，４１０から第１の出力１１０’，２１０’，３１０’，４１０’を導かれるように配向される。従って、第２の溶融金属プール１２０ｂ，２２０ｂ，３２０ｂ，４２０ｂは第１の溶融金属プール１２０ａ，２２０ａ，３２０ａ，４２０ａと接合し、共通の溶融金属プール１２０，２２０，３２０，４２０を形成する。しかしながら、前述の実施形態は、接続部の溶接位置の単なる一例にすぎない。例えば、金属片の平面溶接位置（「１Ｆ」として公知）、水平溶接位置（「２Ｆ」として公知）、および上向き溶接位置（「４Ｆ」として公知）などのさまざまな組み合わせが用いられてもよい。
【００２３】
接続部が異なって配向される他の構成、および接続部がアングル接続部ではない実施形態でも、第１の出力および第２の出力は、互いに対して非ゼロ入射角を形成する位置に配置されてもよい。本明細書に用いる場合、非ゼロ入射角は、第１の出力および第２の出力が直接交わる事例に限定することを意図しない。なぜならば、下記するいくつかの実施形態では、第１の出力および第２の出力は、互いに対して先であってもよいし、遅れてもよい。むしろ、この用語は、接続部を通る断面から見て、第１の出力および第２の出力が概して互いに対する角度を画定する実施形態をさらに含む。第１の出力および第２の出力が非ゼロ入射角を形成する構成は、第１の出力による第２の溶融金属プールの吹き飛ばしを回避できため、第２の溶融金属プールに直接第１の出力を導く例と比較して好ましい場合がある。特に、第２の溶融金属プールが比較的大きく、かつ強い溶接部を提供し、第１の出力が第２の溶融金属プールを接続部から離れるようには強制しないように導く。それ故、いくつかの実施形態では、第１の出力は、キーホールが第２の溶融金属プールの溶融境界に延在するように導かれる。いくつかの他の実施形態では、キーホールは第２の溶融金属プールの底部または下部に延在してもよく、第２の溶融プールの吹き飛ばしを回避する。第１の出力は、第２の溶融金属プールを完全に通って延在せず、実質的にその境界に到達するのみの強度であってもよい。
【００２４】
本発明の実施形態を用いて、図８に示す突き合わせ接続部５１４などのような、種々の他の種類の接続部を溶接してもよい。この実施形態では、第１の金属片５１６ａおよび第２の金属片５１６ｂは、それらの端部が共に一緒になって突き合わせ接続部５１４を形成するように溶接される。しかしながら、概して突き合わせ接続部５１４を溶接するように構成された溶接装置５００に大きな変更はなく、高エネルギー密度熱源５１０を備えており、これは、突き合わせ接続部５１４の第１の側５１４ａに対して第１の出力５１０’を導いて、突き合わせ接続部の第１の側から第２の側５１４ｂに概ね向かって延在する、第１の溶融金属プール５２０ａに囲まれたキーホール５２２を作り出す。溶接装置５００は、同時に、突き合わせ接続部５１４の第２の側５１４ｂに対してアーク溶接熱源５１２からの第２の出力５１２’を導いて、突き合わせ接続部の第２の側に隣接する第２の溶融金属プール５２０ｂを生成する。従って、第１の溶融金属プール５２０ａおよび第２の溶融金属プール５２０ｂは一緒になって、キーホール５２２により、共通の溶融金属プール５２０を形成する。
【００２５】
前述したように、溶接装置の実施形態は高エネルギー密度熱源およびアーク溶接熱源を含む。しかしながら、前述したように、いくつかの実施形態では、２個以上のアーク溶接熱源をさらに備えてもよい。図９ａに示すように、かかる実施形態では、高エネルギー密度熱源およびアーク溶接熱源のみを備えている前述の溶接装置の実施形態と同じ方法で、高エネルギー密度熱源９１０は、第１の金属片９１６ａと第２の金属片９１６ｂとの間の接続部９１４の第１の側９１４ａに対して第１の出力９１０’を導き、アーク溶接熱源９１２が、接続部の第２の側９１４ｂに対して第２の出力９１２’を導く。しかしながら、図９ａに示す溶接装置９００は第２のアーク溶接熱源９２８をさらに含み、これは、接続部９１４の第１の側９１４ａに対して第３の出力９２８’を導く。前述の実施形態の溶接装置からの高エネルギー密度熱源からの第１の出力、およびアーク溶接熱源からの第２の出力と同様に、第２のアーク溶接熱源９２８からの第３の出力９２８’は、不連続でもよいし、連続でもよい。同様に、第２のアーク溶接熱源９２８は、アーク溶接熱源に関連して前述したＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＳＡＷまたはＰＡＷトーチなどのような、アーク溶接デバイスの種々の実施形態を備えてもよい。
【００２６】
第３の出力９２８’は第３の溶融金属プール９２０ｃを形成し、これは、第１の溶融金属プール９２０ａおよび第２の溶融金属プール９２０ｂと組み合わさって共通の溶融金属プール９２０を形成してもよい。これにより、共通の溶融金属プール９２０は凝固し、図９ｂに示すように溶接部９１８を形成する。溶接部９１８は、第２のアーク溶接熱源を備えていない溶接装置１００により生成された溶接部１１８（例えば、図２ｃ参照）と比較して、接続部９１４の第１の側９１４ａに、より多くの材料を含む場合がある。それ故、図９ａに示す溶接装置９００は、強度または美的目的などが所望される用途、例えば、第１の側９１４ａから第２の側９１４ｂまでの接続部９１４の幅にわたって、より左右対称の溶接部が所望される場合などに用いることが好ましい。さらに、第１の出力９１０’は第３の出力９２８’および第３の溶融金属プール９２０ｃを安定させてもよく、第２の出力９１２’および第２の溶融金属プール９２０ｂを安定させる方法と同様である。
【００２７】
溶接装置の実施形態はさらに、接続部に近接した金属片の表面が少なくとも部分的に互いに角度を成す場合に、接続部を溶接してもよい。いくつかの実施形態では、金属片のうちの第１の１片上の第１の接続面と、金属片のうちの第２の１片上の第２の接続面とは、それらの間にギャップが存在するように、相互に対して角度を画定する。このような実施形態の例を図１０ａ〜図１０ｃに示す。
【００２８】
図１０ａは、接続部６１４を溶接するように構成された溶接装置６００の実施形態を示す。接続部６１４は第１の金属片６１６ａおよび第２の金属片６１６ｂを備えている。第１の金属片６１６ａは第１の接続面６１６ａ’を備えており、第２の金属片６１６ｂは第２の接続面６１６ｂ’および第３の接続面６１６ｂ’’を備えている。示すように、第１の金属片６１６ａと第２の金属片６１６ｂとは、第１の接続面６１６ａ’と第２の接続面６１６ｂ’とが、それらの間にギャップ６２４が存在するように、相互に対して角度を画定するように並べられる。前述のように、高エネルギー密度熱源６１０は、第１の出力６１０’がギャップ６２４を通って導かれるように照準を合わせられてもよく、また、第２の出力６１２が、接続部６１４の反対側に照準を合わせられてもよい。いくつかの実施形態では、高エネルギー密度熱源６１０に要求される電力がより少ないため、ギャップ６２４を通るように第１の出力６１０’の照準を合わせることが所望される。いくつかの実施形態では、共通の溶融プールでギャップ６２４を完全に埋めることを補助するために、溶接装置６００は、第２のアーク溶接熱源９２８からの第３の出力９２８’をさらに含んでもよい。このような実施形態では、高エネルギー密度熱源からの第１の出力６１０’は、高エネルギー密度熱源の作動に必要な電力レベルを低減するために、第３の出力９２８’よりわずかに早くても、または遅れてもよい。
【００２９】
図１０ａに示すように、第２の金属片６１６ｂ上の第３の接続面６１６ｂ’’は、第１の金属片６１６ａ上の第１の接続面６１６ａ’と略平行に構成されてもよい。しかしながら、接続部を形成する表面が少なくとも部分的に互いに角度を成す、接続部の全ての実施形態がこの特性を有する訳ではない。例えば、図１０ｂは、接続部７１４の実施形態を示し、第２の金属片７１６ｂは第３の接続面を備えていない。むしろ、第１の金属片７１６ａ上の第１の接続面７１６ａ’と、第２の金属片７１６ｂ上の第２の接続面７１６ｂ’との間にギャップ７２４が形成される。図１０ｃに示す代替的な実施形態では、接続部８１４は２つ以上のギャップを画定してもよい。例えば、図１０ｃに示す実施形態は、第１の金属片８１６ａ上の第１の接続面８１６ａ’と、第２の金属片８１６ｂ上の第２の接続面８１６ｂ’との間にギャップ８２４を画定し、さらに、第１の接続面と、第２の金属片上の第３の接続面８１６ｂ’’との間に第２のギャップ８２６が画定される。よって、第２のギャップ８２６は、一般に、第２の金属片８１６ｂにおけるギャップ８２４の反対側に位置する。いくつかの実施形態では、２つのギャップ８２４および８２６は同一外形を有してもよい。しかしながら、いくつかの他の実施形態では、これらは互いに異なる外形を有してもよい。この実施形態では、第２の溶融金属プールをそこに受容するように、アーク溶接熱源は、第２の出力を第２のギャップに向かうように導いてもよい。第２のギャップ内へ第２の溶融金属プールを受容することは、美的観点から利点を与える場合があり、さらに、第２のギャップは、第２の溶融金属プールを適所に保持するように機能してもよく、その上、第１の出力から生じたキーホールの差し込み距離がより短いため、第１の出力の要求される電力レベルを低減する場合もある。
【００３０】
いくつかの実施形態では、各ギャップを形成する角度は、第１の金属片または第２の金属片の面取り面により画定されてもよい。面取り面は、種々の製造技術、例えば、せん断縁、レーザーカットエッジ、単一のはす縁、プラズマカットエッジ、または二重のはす縁により生成されてもよい。他の実施形態では、ギャップを画定する角度は、他の金属片に対して縁が直角な金属片を傾けることにより生成されてもよい。このような実施形態では、第１の金属片と第２の金属片とは互いに完全に直角ではない。
【００３１】
さらに、角度は、一般に、第２の金属片により形成されたものとして前述したが、代替的な実施形態では、第１の金属片が面取り面を備えている場合などでは、第１の金属片が角度を画定してもよい。他の実施形態では、第１の金属片と第２の金属片との両方が、角度を画定する機構を備えてもよい。例えば、第１の金属片と第２の金属片との両方が、それぞれ、面取り面を備えてもよい。
【００３２】
さらに、上で示され、前述された接続面は、概して平面を備えるとして記述したが、代替的な実施形態では接続面は曲面でもよい。追加的または代替的に、各接続面は複数の部分を備えてもよく、これにより、ギャップは複数の角度で画定される。１つ以上の角度を有する特定の機構および対応するギャップの有無にかかわらず、前述の実施形態各々は、接続部の配向に応じて、前述のように、略水平の意味を含むように意図される。それ故、例えば、図１０ｃに示す接続部８１４の第２の接続面８１６ｂ’および第３の面８１６ｂ’’は完全な水平ではないが、この構造は、前述の略水平の意味に含まれるように意図される。
【００３３】
前述のように、第１の出力および第２の出力を接続部に対して同時に導いてもよい。それと共に、本明細書は、第１の出力および第２の出力を同時に接続部に導く場合の種々の構成を参照するが、必ずしも溶接方向において同時に接続部の同一区域に導く必要はない。。例えば、図１１ａに、機械の方向１３０に沿って接続部１１４を溶接するように構成された図２ｂの溶接装置１００の上面図を示す。機械の方向１３０における溶接は、溶接装置１００または金属片１１６ａ、１１６ｂのいずれかまたは両方の移動を伴う場合がある。示すように、高エネルギー密度熱源１１０からの第１の出力１１０’、およびアーク溶接熱源１１２からの第２の出力１１２’は、それらが機械の方向１３０に概ね整列するように導かれてもよい。これにより、第１の出力および第２の出力は、同時に、接続部１１４の概ね同一区域に導かれる。それ故、キーホール１２２は、上方から視認されるように、第２の溶融金属プール１２０ｂの概ね中心に向かって導かれる。
【００３４】
しかしながら、図１１ｂに示す実施形態における図２ｂの溶接装置１００では、機械の方向１３０において第１の出力１１０’が第２の出力１１２’よりも先である。逆に、図１１ｃに示す実施形態における図２ｂの溶接装置１００では、機械の流れ方向１３０において第１の出力１１０’が第２の出力１１２’に遅れる。他の実施形態では、初期では、第１の出力１１０’は第２の出力１１２’よりも遅れるが、その後、溶接の後では、第２の出力が第１の出力よりも先でもよい。または、この逆の順序でもよい。これは、例えば、高エネルギー密度熱源１１０がアーク溶接熱源１１２よりも高速で接続部１１４に沿って移動する場合、またはその逆の場合にこのようになる可能性がある。それ故、溶接装置１００を利用する種々の構造において、接続部１１４に第１の出力１１０’と第２の出力１１２’とを同時に導くことが可能になる。図１１ａ〜図１１ｃに示す３つ全ての実施形態において、第２の出力１１２’により作り出された第２の溶融金属プール１２０ｂと、機械の方向に沿い重なる位置に、第１の出力１１０’によりキーホール１２２を作り出すことにより、第２の溶融金属プールが第１の溶融金属プール１２０ａと一緒になって共通の溶融金属プール１２０を形成することに留意されたい。
【００３５】
図９ａに示す溶接装置９００に関しては、前述した溶接装置１００と同様に、第１の出力９１０’、第２の出力９１２’、および第３の出力９２８’が同時に接続部９１４に導かれる種々の構造が可能である。それ故、さまざまな組み合わせにおいて、接続部を溶接する機械の方向９３０に沿い、第１の出力９１０’は、第２の出力９１２’よりも早くても遅れてもよく、第３の出力９２８’は第２の出力よりも早くても遅れてもよく、そして、第３の出力が第１の出力よりも先でも後でもよい。例えば、溶接装置９００を上から見た図を図１２に示す。この実施形態では、第１の出力９１０’が第３の出力９２８’より遅れる。この実施形態は、高エネルギー密度熱源９１０からの第１の出力９１０’が、第２のアーク溶接熱源９２８により供給される第３の溶融金属プール９２０ｃを、キーホール９２２に押し込む。第３の溶融金属プール９２０ｃをキーホール９２２に押し込むことにより、第３の溶融金属プールと、第１の溶融金属プール９２０ａおよび第２の溶融金属プール９２０ｂとを一緒にし、そして共通の溶融金属プール９２０を形成することを促進する。従って、強固な溶接部の生成が促される。
【００３６】
前の記述では、概して、装置の実施形態に焦点を合わせてきた。しかしながら、関連する方法の実施形態も提供される。図１３に、金属片間の接続部において複数の金属片を共に溶接する方法の一実施形態を示す。この方法は、工程１１０２において、接続部の第１の側に対して高エネルギー密度熱源から第１の出力を導くことを含む。いくつかの実施形態では、高エネルギー密度熱源は、ブロック１１０４に示すように、レーザー、電子ビーム銃、またはＰＡＷトーチを備えてもよい。ブロック１１０６に示すように、第１の出力により、接続部の第１の側から第２の側に概ね向かって延在する、第１の溶融金属プールに囲まれたキーホールを生成する。
【００３７】
工程１１０２において第１の出力を導くが、この方法はさらに、それと同時に、工程１１０８において、接続部の第２の側に対してアーク溶接熱源から第２の出力を導くことを含む。アーク溶接熱源は、いくつかの実施形態では、ブロック１１１０に示すように、ＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＳＡＷまたはＰＡＷトーチを備えてもよい。ブロック１１１２に示すように、第２の出力により、第２の側に隣接する第２の溶融金属プールを生成する。さらに、ブロック１１１４において、キーホールが第２の溶融金属プールに延在するように、第１の出力を導く。これにより、ブロック１１１６において、第２の溶融金属プールと第１の溶融金属プールとはキーホールにより一緒になる。それ故、この方法は共通の溶融金属プールを作り出し、ブロック１１１８において、これが凝固して、第１の側から第２の側まで、接続部を通り延在する溶接部を形成する。
【００３８】
この方法のいくつかの実施形態では、ブロック１１２０に示すように、接続部はアングル接続部を含んでもよい。追加的にいくつかの実施形態では、ブロック１１２２に示すように、金属片のうちの第１の１片上の第１の接続面と、金属片のうちの第２の１片上の第２の接続面とは、それらの間にギャップが存在するように、互いに対して角度を画定してもよい。ブロック１１２４に示すように、金属片のうちの１つの上の面取り面により角度は画定されてもよい。さらに、ブロック１１２６に示すように、第１の出力はギャップを通して導かれてもよい。いくつかの実施形態では、ブロック１１２８に示すように、共通の溶融金属プールは、ギャップを少なくとも部分的に埋めてもよい。また、いくつかの実施形態では、この方法は、前述のように、第１の出力および第２の出力を、相互に対して非ゼロ入射角を形成するように導くか、第１の出力を第２の溶融金属プールの下部に導いてもよく、これにより第２の溶融金属プールの吹き飛ばしを回避する工程１１３０を含んでもよい。
【００３９】
追加的実施形態において、方法は、接続部の第１の側に対して第２のアーク溶接熱源から第３の出力を導く工程１１３２をさらに含んでもよく、これは、ブロック１１３４に示すように、第３の溶融金属プールを生成する。ブロック１１３６に示すように、第３の溶融金属プールは、これにより、共通の溶融金属プールを形成するように、少なくとも第１の溶融金属プールと一緒になってもよい。さらに、いくつかの実施形態では、ブロック１１３８に示すように、第１の出力は第３の出力より遅れるか、早い。第１の出力が第３の出力よりも遅い場合には、第３の溶融金属プールをキーホールに押し込む場合がある。アーク溶接熱源と同様に、第２のアーク溶接熱源もＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＳＡＷまたはＰＡＷトーチを備えてもよい。さらに、ブロック１１４０に示すように、第１の出力、第２の出力、および／または第３の出力は不連続でもよい。
【００４０】
さらに、図１４に、第１の金属片と第２の金属片との間のアングル接続部を溶接する方法の一実施形態を示す。第１の金属片は略水平の上面を有し、第２の金属片は略水平の下面を有する。第２の金属片の略水平の下面の第１の一片の少なくとも一部が、第１の金属片の上面に当接してアングル接続部を形成する。アングル接続部は、前述のように、Ｔ字型接続部、角接続部、傾斜したＴ字型接続部、傾斜した角接続部、および２個の金属片が互いに角度を生成するように一緒になる他の接続部を含んでもよい。場合に応じて、２つの片の間に小さなギャップが存在してもよいし、なくてもよい。この方法は、工程１２０２において、アングル接続部の第１の側に対して高エネルギー密度熱源から第１の出力を導くことを含む。それにより、ブロック１２０６に示すように、第１の出力は、アングル接続部の第１の側から第２の側に概ね向かって延在するキーホール内に第１の溶融金属プールを生成する。
【００４１】
工程１２０２において第１の出力を導くが、この方法はさらに、これと同時に、工程１２０８において、アングル接続部の第２の側に対してアーク溶接熱源から第２の出力を導くことを含む。これにより、ブロック１２１２に示すように、第２の出力は、アングル接続部の第２の側に隣接する第２の溶融金属プールを生成する。さらに、ブロック１２１４に示すように、第１の出力を導いてもよく、第２の溶融金属プールのすぐ下に位置する点にキーホールを延在させる。これにより、例えば、第２の溶融金属プールの中心または上部に第１の出力を導く場合に生じる場合があるような第２の溶融金属プールの吹き飛ばしを回避しつつ、なおも第２の溶融金属プールと第１の溶融金属プールとの間の流体連通を可能にする。これにより、ブロック１２１６において、第２の溶融金属プールと第１の溶融金属プールとをキーホールにより一緒にする。これにより、共通の溶融金属プールを作り出す。これが凝固して、ブロック１２１８に示すように、第１の側から第２の側まで、アングル接続部を通り延在する溶接部を形成する。したがって、アングル接続部の溶接に特に関連する方法も提供される。
【００４２】
多くの変更および他の実施形態が、前述の説明および関連する図面に示す教示の利益を有する、これらの実施形態に関連する当業者に思い浮かぶであろう。それ故、変更および他の実施形態が、添付の請求項の範囲内に含まれることを意図することが理解される。特定の用語を本明細書に用いたが、これらは包括的に、かつ説明的な意義のみのために用いられ、限定を意図するものではない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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